\chapter{Návrh digitálního osciloskopu}

\section{Koncepce přístroje}

\begin{figure}[htp]
    \centering
    \includegraphics[width=12cm]{block.png}
    \caption{Blokové schéma přístroje}
%   \label{}
\end{figure}

Navržená koncepce přístroje nabízí široké možnosti rozšíření funkčnosti. Spíše než jako jednoúčelový přístroj ho lze chápat jako osciloskop navržený nad modulárním systémem pro realizaci rychlých měřicích přístrojů. 

Je žádoucí, aby jednotlivé moduly na sobě nebyly závislé a bylo možno je neomezeně kombinovat. Konstrukci digitálního osciloskopu pak lze rozdělit na 3 nezávislé části – základní desku přístroje, modul osciloskopu (měřicí modul) a modul pro připojení ke sběrnici USB (komunikační modul).

V této kapitole bude popsán samotný modulární systém pro realizaci rychlých měřicích přístrojů. O využití jednotlivých komponent k realizaci dvoukanálového digitálního osciloskopu pojednává kapitola Dvoukanálový osciloskop.

\subsection{Základní deska}

Základní deska definuje počet, hardwarové rozhraní jednotlivých modulů i komunikační protokoly. Slouží ke sběru a zpracování naměřených dat a zprostředkování komunikace mezi jednotlivými moduly. Umožňuje připojení až 3 měřicích a 3 komunikačních modulů. Prostřednictvím zvláštního konektoru lze připojit modul pomocný.

Použité FPGA Xilinx řady Spartan 3 umožňuje zpracování dat v reálném čase. Osazený obvod XC3S200 s 200 tisíci ekvivalentních hradel nabízí dostatečnou kapacitu a rychlost pro implementaci i náročných algoritmů analýzy dat.

Synchronní statická paměť Cypress CY7C1351G nabízí pro uložení dat kapacitu 4 Mbit. Díky rychlosti hodinového taktu až 133 MHz nabízí při využití všech 36-bitů datové sběrnice propustnost blížící se 4,8 Gb/s. Příznivý dopad na rychlost paměti má i technologie NoBL, která umožňuje přechod mezi režimy čtení a zápisu bez čekacích cyklů.

Jednočipový mikrokontrolér Atmel AT91SAM7X256 postavený na 32-bitovém jádře ARM7 se stará o řízení celého systému. Jeho hlavním úkolem je přinést do systému určitou inteligenci, definovat komunikační protokoly mezi jednotlivými moduly a data zpracovaná hradlovým polem odesílat prostřednictvím komunikačních modulů nadřazeným systémům. Mikrokontrolér má na čipu integrováno 256 KB paměti Flash pro program a 64 KB paměti RAM pro data. Tyto kapacity umožní nasazení operačního systému reálného času FreeRTOS.

Zapojení je navrženo na oboustranné prokovené desce plošných spojů o rozměrech 16 cm x 8 cm. Podél kratších stran desky je ponecháno neobsazené místo v šířce 5 mm. To umožňuje desku zasunout do vodicích lišt v krabičce, případně ji upevnit na distanční sloupky.

\subsubsection{Napájecí část}

\begin{figure}[htp]
    \centering
    \includegraphics[scale=0.1]{dcdc.png}
    \caption{Snižující DC/DC měniče napájecích napětí 3,3 V a 1,2 V}
%   \label{}
\end{figure}


Základní desku lze napájet stejnosměrným zdrojem napětí v rozsahu 5 V až 15 V. Navržené měniče zajišťují stabilizaci napájecích napětí 3,3 V a 1,2 V do výstupního proudu 2 A. Výstup 3,3 V je zapotřebí pro napájení všech digitálních obvodů základní desky a jako pomocné napájení komunikačních modulů. Výstup 1,2 V je určen pro jádro hradlového pole Xilinx. Pomocné napětí 2,5 V pro hradlové pole Xilinx je stabilizováno nízkoúbytkovým stabilizátorem TPS77625.

Minimalizace rozměrů je dosaženo použitím řídicích obvodů Texas Instruments řady TPS5435 pracujících na kmitočtu 500 kHz. Zapojení měničů bylo převzato z katalogového listu výrobce. Výhodou zvolené konfigurace je synchronizace činnosti obvodů. Ty pracují v protifázi, což minimalizuje kolísání vstupního proudu.

Pro omezení proudové špičky po zapnutí přístroje měniče integrují obvod pomalého startu. Mimo to startují sekvenčně, měnič stabilizující 1,2 V začíná pracovat až po ustálení výstupního napětí měniče 3,3 V.

Namísto klasických rekuperačních diod jsou použity řízené unipolární tranzistory. Především díky nízkému úbytku napětí v sepnutém stavu, ale i rychlé zotavovací době, zvyšují účinnost měničů.

Napájecí napětí na vstupu i výstupu měniče je zapotřebí blokovat způsobem odpovídajícím vysokému pracovnímu kmitočtu a výkonu měničů. Keramické kondenzátory velké kapacity, ve spojení s elektrolytickými kondenzátory typu Polymer Al, pokrývají rychlé změny ve velikosti odebíraného proudu. Zmíněné elektrolytické kondenzátory, vyznačující se velmi nízkým ekvivalentním odporem, jsou použity i na výstupu měniče.

Všechny součástky byly vybrány za pomoci programu Swift Designer 3.51. Ten kromě doporučení jejich parametrů umožňuje i ruční modifikaci při sledování dopadu na výsledné parametry měniče.


\subsection{Měřicí moduly}

Měřicí moduly jsou určeny k interakci přístroje s měřeným objektem. Slouží pro převod měřené fyzikální veličiny do digitální reprezentace vhodné pro další zpracování základní deskou přístroje. Na místě měřicího modulu si lze představit A/D převodník, spektrální analyzátor, logický analyzátor apod. Není však nutné se omezovat pouze na měření. Teoreticky nic nebrání v návrhu modulu funkčního generátoru, generátoru logických funkcí nebo systému pro automatické testování elektronických zapojení.

Měřicí moduly mají možnost komunikovat s hradlovým polem i řídicím jednočipovým mikrokontrolérem na základní desce. S hradlovým polem je každý z modulů spojen 16 bitovou paralelní sběrnicí, hodinovým signálem a 3 pomocnými vodiči pro obecné užití. S řídicím mikrokontrolérem mají moduly možnost komunikovat po plně duplexní asynchronní sériové sběrnici. Každý z modulů je zvlášť připojen k řídicímu mikrokontroléru dvojicí vodičů určených pro řízení přístupu ke sběrnici.

Napájecí napětí i datové signály jsou k měřicím modulům přivedeny ze základní desky prostřednictvím přímých dvouřadých 34 pinových konektorů. Deska měřicího modulu leží rovnoběžně s deskou základní, čímž tvoří druhé patro přístroje. Šířka modulu je omezena rozestupem konektorů na základní desce, a to na 5 cm. Na straně protilehlé konektoru lze měřicí moduly upevnit pomocí distančních sloupků. Délka modulu není základní deskou omezena.

\subsection{Komunikační moduly}

Tyto moduly zprostředkují komunikaci základní desky s okolím. Ve většině případů s nadřazeným systémem v podobě osobního počítače. Mohou být použity pro připojení přístroje ke sběrnici USB, rozhraní RS232, ethernetu, průmyslovým sběrnicím, případně i k tiskárně. Využít je lze také k indikaci činnosti přístroje nebo realizaci inteligentního řadiče displeje pro uživatelské rozhraní.

Komunikační moduly mohou s řídicím mikrokontrolérem komunikovat po čtyřvodičové sériové sběrnici SPI. Na této pracují v režimu slave, komunikaci na sběrnici řídí mikrokontrolér na základní desce. Mimo sériové sběrnice je každý z modulů s řídicím mikrokontrolérem propojen trojicí vodičů. Jeden z vodičů je vyhrazen k indikaci nové události, např. dokončení přenosu dat nebo příjem nového požadavku. Zbývající dvojice je pro všeobecné užití.

Komunikační moduly se k základní desce připojují prostřednictvím dvouřadých úhlových 16 pinových konektorů. Zůstávají tak v úrovni základní desky, ve spodním patře. Stejně jako u měřicích modulů je jejich šířka omezena základní deskou na 5 cm. K upevnění modulu na straně protilehlé konektoru lze, stejně jako v případě měřicích modulů, použít distanční sloupky.


\subsection{Pomocný modul}

Funkce tohoto modulu není nijak zvlášť definována. Lze ho použít k indikaci činnosti přístroje, měření a regulaci teploty nebo může pomoci při ladění firmware.

Napájecí napětí i datové signály jsou k modulu přivedeny prostřednictvím jednořadého 10-pinového konektoru Molex s roztečí vývodů 1,25 mm. S řídicím mikrokontrolérem je modul propojen 5 linkami USARTu (RXD, TXD, CTS, RTS a CLK). Rozměry ani umístění modulu nejsou základní deskou omezeny.


\section{Modul dvoukanálového osciloskopu}

\subsection{Parametry modulu}

Navržený modul dvoukanálového osciloskopu má následující parametry:

\begin{itemize}
    \item 2 analogové kanály
    \item Vstupní impedance 1 M$\Omega \parallel$ cca. 20 pF
    \item Měřicí rozsah $\pm$100 mV až $\pm$10 V v krocích 1-2-5
    \item Frekvenční pásmo (pro -3 dB) 0 Hz až 30 MHz
    \item Rychlost vzorkování 80 MS/s
    \item Rozlišení 12-bitů
    \item Velikost paměti 4 Mbit
    \item Automatická korekce offsetu
    \item Automatická kalibrace měřicích rozsahů
    \item Obsazení dvou slotů základní desky (rozměry 13 cm x 10 cm)
\end{itemize}

% Dle hrubého odhadu pořizovací ceny modulu by tato neměla nepřekročit částku 7 000 Kč. Po započítání ceny základní desky a USB modulu se dostáváme na cenu kolem 10 000 Kč. Komerčně dostupné digitální osciloskopy v této cenové relaci kvalit navržené konstrukce nedosahují. Zvlášť je potřeba vyzdvihnout vysoké rozlišení, vysokou kapacitu paměti a automatickou kalibraci.

\subsection{Funkce hradlového pole}

K nastavení rychlosti časové základny, respektive měřítka času, bude využito hradlové pole na základní desce. To umožní ponechat vzorkovací frekvenci A/D převodníků konstantní. Tento přístup přinese především možnost širokého nastavení časové základny a umožní zařazení digitálního filtru plovoucího průměru pro získání přesnějších výsledků.

V hradlovém poli budou rovněž implementovány funkce triggeru. Mimo zjednodušení hardware toto řešení přinese možnost implementace pre-triggeru, post-triggeru i dalších pokročilých technik spouštění měření. Vyhodnocení spouštěcí podmínky hradlovým polem přináší možnost aktivace triggeru na základě výstupu jiných modulů, nabízí se např. spolupráce s modulem logického analyzátoru.

\subsection{Deska dvoukanálového osciloskopu}

Tato deska zajišťuje napájení a ovládání dvou analogových submodulů. Umísťuje zdroje potenciálního rušení, jakými jsou DC/DC měnič záporného napájecího napětí a pomocný jednočipový mikrokontrolér, mimo stíněný kryt analogových submodulů. Přínosem této desky je pak i rozvod digitálních signálů přímo na určená místa analogových submodulů. To snižuje riziko pronikání rušení z digitální do analogové části.

Každý z analogových submodulů vyžaduje napájecí napětí $\pm$5 V a 3,3 V. Kladná napětí jsou stabilizována třísvorkovými lineárními stabilizátory. Záporné napětí je generováno DC/DC měničem Linear Technologies LT1373 zapojeném v topologii Cuk. Tato se vyznačuje použitím indukčnosti na vstupu i výstupu měniče s jejich vzájemnou vazbou. Dosahuje tak velmi nízkého zvlnění výstupního napětí a minimalizace kolísání vstupního proudu. Pro další snížení zvlnění a dosažení rychlé odezvy zdroje je výstup měniče nastaven na napětí blížící se -7,5 V, filtrován LC článkem a na přesnou hodnotu -5 V stabilizován lineárním stabilizátorem.

O komunikaci s řídicím mikrokontrolérem na základní desce a ovládání obou analogových submodulů se stará 8-mi bitový jednočipový mikrokontrolér Atmel ATmega16L. Jeho úkolem je nabídnout definovanou sadu funkcí pro volbu zesílení měřeného signálu, velikost vertikálního posunu, vazby vstupu, automatickou kalibraci a měření teploty.

Zapojení je navrženo na oboustranné prokovené desce plošných spojů o rozměrech 13 cm x 10 cm. Na základní desce obsazuje místo dvou měřicích modulů.


\section{Analogové submoduly}

Analogové submoduly jsou klíčovou částí celého návrhu. Submodul obsahuje veškeré analogové obvody jednoho kanálu osciloskopu. Zapojení je realizováno na oboustranné desce plošných spojů o rozměrech 7 cm x 4 cm. Pro potlačení rušivých elektrostatických polí bude tato stíněna kovovou krabičkou.

\subsection{Vstupní část}

\begin{figure}[htp]
    \centering
    \includegraphics[scale=0.1]{input.png}
    \caption{Zapojení vstupní části osciloskopu}
%   \label{}
\end{figure}

Vstupní část umožňuje nastavit měřicí rozsah, způsob vazby vstupního signálu a zajistit přivedení referenčního napětí pro korekci offsetu a kalibraci měřicích rozsahů. Pro minimalizaci svodových proudů a parazitních kapacit jsou k přepínání signálu použita vysokofrekvenční relé.

Za pomoci relé K1 lze volit mezi stejnosměrnou a střídavou vazbou vstupního signálu. Odstranění stejnosměrné složky signálu je realizováno kondenzátorem C1. Rezistor R1 slouží k omezení zkratového proudu kondenzátoru po sepnutí relé K1.

Přepnutím relé K2 lze namísto měřeného signálu připojit jedno z referenčních napětí. To připravuje analogovou část k automatické kalibraci.

Relé R3 přepíná mezi odbočkami vstupního frekvenčně kompenzovaného děliče. Volí mezi přímým a 10 krát zeslabeným signálem.

Pro další zpracování měřeného signálu je tento výkonově zesílen. Pro nízké zatížení vstupního děliče je použit vysokofrekvenční operační zesilovač s unipolárními tranzistory na vstupu. Před přivedením vysokého napětí na jeho neinvertující vstup je tento chráněn dvojitou nízkokapacitní diodou D1.

Na výstupu zesilovače je zapojen první vysokofrekvenční filtr, RC článek s mezním kmitočtem $f_m = 39 $ MHz.


\subsection{Zesilovač s volitelným zesílením}

\begin{figure}[htp]
    \centering
    \includegraphics[scale=0.1]{amp10.png}
    \caption{Schéma zesilovače s volitelným zesílením}
%   \label{}
\end{figure}

Zesilovač umožňuje nastavit zesílení vstupního signálu v krocích 1x, 2x, 5x a 10x. Skládá se ze dvou stupňů tvořených vysokofrekvenčními operačními zesilovači v neinvertujícím zapojení. První stupeň nabízí pětinásobné zesílení, druhý dvojnásobné. Analogové přepínače ADG619 umožňují jednotlivé stupně nezávisle na sobě vyřadit, resp. umožňují signálu zesilovače obejít a tak nastavit výsledné zesílení. Výstup druhého analogového přepínače je před vysokofrekvenčním filtrem výkonově posílen operačním zesilovačem OZ4A.


\subsection{Vysokofrekvenční filtr}

\begin{figure}[htp]
    \centering
    \includegraphics[scale=0.1]{filter.png}
    \caption{Dolnofrekvenční propust druhého řádu}
%   \label{}
\end{figure}

Pro potlačení šumu vysokých kmitočtů a omezení aliasing efektu je zapotřebí z měřeného signálu odstranit kmitočty vyšší poloviny vzorkovací rychlosti A/D převodníku. Na výstupu zesilovače s volitelným zesílením je zapojena aktivní dolnofrekvenční propust druhého řádu s mezním kmitočtem f = 33 MHz. Použitá topologie Sallen-Key přináší i přes svou relativní jednoduchost možnost přizpůsobit chování filtru. Umožňuje volbou hodnot součástek nastavit polohu pólů frekvenčního přenosu a zvolit tak dobrý kompromis mezi tvarem frekvenční a fázové charakteristiky.


\subsection{Vertikální posun}

Hardwarové řešení vertikálního posunu, tedy přičtení či odečtení volitelné hodnoty stejnosměrného napětí, přináší možnost přesnějšího měření překmitů signálu a zvlnění napájecích napětí. Nejvyšší možná amplituda zesíleného signálu je s ohledem na rozsah A/D převodníku $\pm$1 V. Operační zesilovače napájené $\pm$5 V nabízí značnou rezervu pro posun pracovního bodu, umožňují realizovat vertikální posun velikosti až $\pm$ 3 V. Přičtení stejnosměrné složky k měřenému signálu je realizováno operačním zesilovačem AD8057 v invertujícím zapojení.

\begin{figure}[htp]
    \centering
    \includegraphics[scale=0.1]{offset.png}
    \caption{Obvod pro realizaci vertikálního posunu}
%   \label{}
\end{figure}

Velikost vertikálního posunu je řízena výstupem prvního kanálu D/A převodníku AD5627. Výstupní napětí D/A převodníku se může pohybovat od 0 V do referenčního napětí, kterým jsou v našem případě 3 V. Rozšíření výstupu do záporných hodnot je realizováno operačním zesilovačem OZ8B.

\subsection{Korekce offsetu}

Vstupní napěťový offset operačních zesilovačů vnáší do měřeného signálu nežádoucí posun jeho stejnosměrné složky. Tento lze potlačit přičtením stejnosměrné složky opačného znaménka, čímž se stejnosměrné posuny vykompenzují. To lze realizovat stejným způsobem, jakým provádíme vertikální posun, avšak pouze v krocích 1,46 mV. Přesnější korekci je možno provést po digitalizaci signálu v hradlovém poli - přičtením konstanty ke všem vzorkům.

Pro změření stejnosměrné složky, zanesené do měřeného signálu offsetem operačních zesilovačů, je zapotřebí na vstup osciloskopu přivést nulový signál. Na tuto operaci je připraveno relé K2 a analogový multiplexor IC3. Po jejich nastavení nic nebrání v započetí automatické korekce offsetu. Cílem korekce je, za použití analogového a následně digitálního posunu stejnosměrné složky, dosáhnout nulové střední hodnoty digitalizovaného signálu.

Velikosti napěťového offsetu operačních zesilovačů je bohužel závislá na teplotě. Předpokladem dobré teplotní stability analogové části je použití součástek s nízkým teplotním driftem. Nicméně ani pečlivý výběr součástek není konečným řešením problému.

Protože osciloskop nabízí možnost rychlé korekce offsetu, bylo zvoleno jednoduché řešení. Tím je umístění teplotního čidla do prostoru stíněné analogové části. To umožní, v případě větší změny teploty, uživatele ihned varovat a nabídnout opětovnou korekci offsetu. Zajímavou možností, která se tímto otevírá, je implementace automatické korekce teplotního driftu na základě experimentálně získané korekční křivky.


\subsection{Diferenční budič A/D převodníku}

\begin{figure}[htp]
    \centering
    \includegraphics[scale=0.1]{diff.png}
    \caption{Zapojení diferenčního budiče A/D převodníku}
%   \label{}
\end{figure}

Diferenční buzení A/D převodníku není v tomto případě ani tak významné pro potlačení případných rušení jako pro zachování dobrých dynamických vlastností převodníku. Diferenční operační zesilovač AD8139 je přímo navržen k buzení A/D převodníků. Souhlasná stejnosměrná složka výstupního signálu je nastavena na střed napájecího napětí převodníku. Zesílení budiče je sníženo na $470 / 510 = 0,92$ z důvodu vytvoření rezervy pro korekci měřicího rozsahu.

Na výstupu budiče je umístěn dolnofrekvenční filtr prvního řádu, RC článek s mezním kmitočtem f = 33 MHz. Ten lomí frekvenční charakteristiku o $-20$ dB/dek a tím zvyšuje celkovou strmost útlumu vysokých kmitočtů na $-80$ dB/dek.

Zapojením invertovaného výstupu na neinvertující vstup převodníku dochází k obrácení polarity měřeného signálu. Tím kompenzujeme převrácení polarity způsobené invertujícím zesilovačem realizujícím vertikální posun měřeného signálu.


\subsection{Kalibrace měřicích rozsahů}

Analogové submoduly jsou připraveny pro automatickou kalibraci všech měřicích rozsahů. Korekce měřicího rozsahu funguje na principu srovnání střední hodnoty měřeného digitalizovaného signálu se známou hodnotou napětí na vstupu osciloskopu.

\begin{figure}[htp]
    \centering
    \includegraphics[scale=0.1]{ref.png}
    \caption{Schéma zdroje referenčních napětí}
%   \label{}
\end{figure}

Podmínkou dobré kalibrace je přesný zdroj referenčního napětí. Pro možnost korekce všech měřicích rozsahů je výstup 3 V napěťové reference IC4 rozšířen o výstupní napětí 300 mV a 30 mV. Sledovače OZ5A a OZ5B slouží k výkonovému posílení napětí na odbočkách děliče.

K výběru mezi referenčními úrovněmi 30 mV, 300 mV a 3 V slouží analogový multiplexor IC3. Pro přivedení referenčního napětí na vstup osciloskopu je určeno relé K2.

\begin{figure}[htp]
    \centering
    \includegraphics[scale=0.1]{adc_ref.png}
    \caption{Korekce referenčního napětí A/D převodníku}
%   \label{}
\end{figure}

Korekce měřicího rozsahu je realizována jemnou změnou referenčního napětí A/D převodníku tak, aby střední hodnota měřeného signálu odpovídala hodnotě napětí přivedené na vstup osciloskopu. Referenční napětí A/D převodníku je získáno z odbočky děliče R40, R43, výkonově posíleno a filtrováno RC článkem R42, C41. Rezistory R40, R41 a R43 jsou voleny právě tak, aby napětí na středu děliče R40, R43 odpovídalo zeslabení diferenčního budiče, tedy 0,92 V a přitom změnou výstupního napětí druhého kanálu D/A převodníku bylo možno docílit změny měřicího rozsahu $\pm$5 \%.

% Řešení odporového děliče R40, R43 není tak snadné, jak by se mohlo na první pohled zdát. Ruční vyjádření hodnot jednotlivých rezistorů ze získané soustavy algebraických rovnic je možné, nicméně pracné a náchylné na chyby. Bylo proto provedeno za pomoci svobodného programu pro symbolické výpočty wxMaxima.

% Po dokončení výpočtu a provedení simulace zjišťujeme, že nahrazení vypočtených hodnot rezistorů nejbližšími hodnotami z běžně dostupných řad, zanáší do obvodu výrazné chyby. Nezbývá než volit jinou hodnotu prvního rezistoru a výpočet opakovat v naději dosažení lepších výsledků. S výběrem nejvhodnějších hodnot součástek opět pomohla výpočetní technika, a sice jednoduchý skript v programovacím jazyce Python.

\subsection{A/D převodník}

\begin{figure}[htp]
    \centering
    \includegraphics[scale=0.25]{adc.png}
    \caption{Blokové schéma použitého A/D převodníku}
%   \label{}
\end{figure}

Použitý A/D převodník AD9236 nabízí rychlost vzorkování 80 MS/s při rozlišení 12 bitů. K dosažení těchto parametrů využívá vícestupňové diferenční architektury s korekcí chyb. Vstupní obvod převodníku je vybaven širokopásmovým diferenčním sample-and-hold obvodem umožňujícím volbu vstupního rozsahu a souhlasné stejnosměrné složky signálu.	Pro zachování dobrých parametrů převodu nezávisle na střídě řídicího hodinového signálu je převodník vybaven obvodem pro stabilizaci střídy. Tvar výstupních dat lze volit mezi přímým binárním kódem a druhým doplňkem. Překročení vstupního rozsahu je indikována zvláštním vývodem (OTR). Dostupné jsou pinově kompatibilní převodníky s frekvencí vzorkování 20 MS/s až 80 MS/s s rozlišením 10 až 14 bitů. Napájecí napětí převodníku lze volit z rozsahu 2,7 až 3,6 V, samostatné napájení výstupních číslicových budičů umožňuje přizpůsobení výstupních logických úrovní 2,5 V až 3,3 V logice. Při plné rychlosti a napájecím napětí 3 V má spotřebu 366 mW.

Architektura AD9236 sestává ze vstupního sample-and-hold obvodu následovaného několikastupňovým A/D převodníkem. Samotný převod signálu je realizován několika stupni, a sice vstupním 4-bitovým paralelním převodníkem následovaným osmi 1,5 bitovými stupni, které jsou zakončeny 3 bitovým paralelním převodníkem. Každý z 1,5 bitových stupňů poskytuje dostatečné překrytí umožňující opravu chyb předchozího stupně. Výstup všech stupňů je logickým obvodem zkombinován ve výsledné 12-bitové číslo. Vícestupňová architektura dovoluje prvnímu stupni pracovat na převodu nového vzorku, zatímco zbývajícím stupňům na vzorcích předešlých. Vzorkování vstupního signálu je prováděno s náběžnou hranou hodinového signálu.

Každý ze stupňů převodníku, mimo posledního, sestává z paralelního A/D převodníku, D/A převodníku a rozdílového zesilovače. Ten zesiluje rozdíl mezi vstupním napětím paralelního A/D převodníku a jím řízeného D/A převodníku. Výstup rozdílového zesilovače je vstupem dalšího stupně převodníku. Paralelní A/D převodník každého stupně obsahuje jeden redundantní bit použitelný k digitální korekci chyb převodníku. Poslední stupeň A/D převodníku je již klasickým paralelním převodníkem.


\subsection{Zdroj hodinového signálu}

\begin{figure}[htp]
    \centering
    \includegraphics[scale=0.1]{crystal.png}
    \caption{Zdroj hodinového signálu}
%   \label{}
\end{figure}

Oba analogové submoduly mohou být taktovány nezávisle nebo být navzájem synchronizovány. Mód činnosti je možno nastavit za pomoci přepínače SJ1. Pro minimalizaci parazitní indukčnosti a svodových proudů je tento realizován přímo na plošném spoji. Zkratování jednotlivých plošek lze provést při výrobě páječkou.

Propojením prostřední plošky s ploškou číslo 3 se zdrojem hodinového signálu A/D převodníku stává krystalový oscilátor Q1. Při zkratování prostřední plošky s ploškou číslo 1 je možno submodul taktovat hodinovým signálem druhého submodulu. U řídicího submodulu pak zkratujeme všechny 3 plošky navzájem.

\subsection{Šum operačních zesilovačů}

Limitujícím faktorem citlivosti měřicích přístrojů jsou rušivé vlivy. U rychlých měřicích přístrojů se největším zdrojem rušení stává šum aktivních prvků.

Návrh analogové části se snaží rušivé vlivy minimalizovat výběrem kvalitních součástek, stíněním, použitím dobré topologie napájecích zdrojů a důkladným blokováním napájecích napětí.

Pro získání představy o dosažitelných parametrech přístroje provedeme orientační výpočet očekávaných špičkových napětí šumu v navrženém obvodu. Získané hodnoty mohou poukázat na slabá místa návrhu a pomoci s volbou vhodných součástek.

V tabulce číslo 1 jsou patrny příspěvky jednotlivých operačních zesilovačů k výsledné hodnotě šumu na vstupu A/D převodníku. Při měřicím rozsahu $\pm$100 mV lze očekávat šum špička--špička 2,65 LSB, což naznačuje, že nebude možno využít plného rozlišení převodníku. U rozsahu $\pm$1 V je situace znatelně příznivější, očekávaná velikost šumu je 0,62 LSB špička--špička.

Šum operačních zesilovačů není jediným zdrojem rušivých vlivů v obvodu. Jistým dílem k celkovému šumu přispějí i rezistory a analogové přepínače. V menší míře lze očekávat i pronikání rušivých vlivů kapacitní vazbou z jiných částí obvodu, z napájecího napětí nebo indukcí z okolí.

Pro potlačení šumu lze využít předpokladu, že se jeho střední hodnota blíží nule. Při měření signálů nižších frekvencí pak bude možno přesnost měření zvýšit zařazením digitálního filtru plovoucího průměru.


\subsubsection{Příklad výpočtu}

Příklad výpočtu provedeme pro operační zesilovač OZ2 a vstupní rozsah 100 mV, kdy jsou zařazeny oba stupně zesilovače.

Vstupní napěťový šum použitého operačního zesilovače AD8021 je $e_n = 2,1\ \mathrm{nV} / \sqrt{\mathrm{Hz}}$. Je zapojen v neinvertujícím zapojení se zesílením $A = 5$. Frekvenční rozsah analogové části je omezen zařazenými vysokofrekvenčními filtry na $f_m = 30\ \mathrm{MHz}$.\\

Šum na výstupu OZ:
$$e_{n2pp} = A \cdot e_n \cdot \sqrt{f_m}$$
$$e_{n2pp} = 5 \cdot 2,1\cdot 10^{-9} \cdot \sqrt{30\cdot 10^6}$$
$$e_{n2pp} = 57,5\ \mathrm{\mu V}$$

Výstupní signál OZ2 je stupni následujícími zesílen $A_2 = 3,68$ krát. Příspěvek zesilovače OZ2 k šumu na vstupu A/D převodníku označíme $e_{ADCpp}$.

$$e_{ADCpp} = e_{n2pp} \cdot A_2$$
$$e_{ADCpp} = 57,5\cdot 10^{-6} \cdot 3,68$$
$$e_{ADCpp} = 212\ \mathrm{\mu V}$$

Hodnotu vyjádříme v počtu nejnižších bitů A/D převodníku. Jeho rozlišení 12 bitů odpovídá $2^{12} = 4096$ krokům. Při vstupním rozsahu 1.84 V ($\pm$ 0.92 V) je velikost jednoho kroku $U_s = 45\ \mathrm{\mu}$.

$$LSB = \frac{e_{ADCpp}}{\Delta U_{LSV}}$$
$$LSB = \frac{212 \cdot 10^{-6}}{45 \cdot 10^{-6}} = 0,47$$


\subsection{Drift operačních zesilovačů}

Teplotní závislost offsetu operačních zesilovačů vede především ke vzniku chyb stejnosměrné složky měřeného napětí. Změna teploty má však nepříznivý vliv i na přesnost amplitudy měřeného signálu.

Analogové submoduly jsou proto připraveny pro automatickou korekci offsetu i kalibraci měřicího rozsahu. Mimo to je možno osadit teplotní čidlo DS18B20 a při výraznější změně teploty nabídnout automatickou rekalibraci či provést digitální korekci naměřených dat.

\subsubsection{Příklad výpočtu}

Stejně jako v předchozím příkladu, tento provedeme pro operační zesilovač OZ2 se zesílením $A = 5$ a měřicí rozsah 100 mV.

Typický drift operačního zesilovače AD8021 je $\Delta U_{OS} / \Delta T = 0,5\ \mathrm{\mu V / ^\circ C}$. Na výstupu bude zesílen 5 krát.

$$\Delta U_2 / \Delta T = A \cdot \Delta U_{OS} / \Delta T$$
$$\Delta U_2 / \Delta T = 5 \cdot 0,5 \cdot 10^{-6}$$
$$\Delta U_2 / \Delta T = 2,5\ \mathrm{\mu V / ^\circ C}$$

Na vstupu A/D převodníku se tento objeví po zesílení $A_2 = 3,68$ následujících stupňů.

$$\Delta U_{ADC} / \Delta T = A_2 \cdot \Delta U_2 / \Delta T$$
$$\Delta U_{ADC} / \Delta T = 3,68 \cdot 2,5$$
$$\Delta U_{ADC} / \Delta T = 9,2\ \mathrm{\mu V / ^\circ C}$$

Vyjádřeno v počtu nejnižších bitů A/D převodníku.

$$LSB / \Delta T = \frac{\Delta U_{ADC} / \Delta T}{\Delta U_{LSB}}$$
$$LSB / \Delta T = \frac{9,2 \cdot 10^{-6}}{45 \cdot 10^{-6}} = 0,02\ ^\circ C^{-1}$$


\pagebreak

\subsection{Vypočtené hodnoty šumu a driftu OZ}

\begin{center}
    \includegraphics[bb=300 0 742 530,scale=0.9,angle=90]{noise.pdf}
    % noise.pdf: 842x842 pixel, 72dpi, 29.70x29.70 cm, bb=0 0 842 842
\end{center}

\pagebreak


\section{USB modul}

Modul slouží ke komunikaci s osobním počítačem přes sběrnici USB, přičemž zajišťuje galvanické oddělení počítače od měřicího přístroje. Stejně tak jako ostatní komunikační moduly, i tento komunikuje s řídicím mikrokontrolérem na základní desce po sériové sběrnici SPI. Modul se tedy musí postarat o převod mezi sériovými sběrnicemi USB a SPI.

Ke konverzi sběrnice SPI na USB lze přistoupit dvěma způsoby. Prvním je použití specializovaného obvodu. Nutno poznamenat, že nabídka těchto obvodů je znatelně užší než obvodů pro převod USB na klasickou asynchronní sériovou linku. Jediným obvodem splňujícím všechny požadavky, který se podařilo nalézt, je MAX3420E.

Druhým přístupem je nasazení levného jednočipového mikrokontroléru s integrovanými řadiči USB a SPI. Jejich významnou výhodou proti specializovaným obvodům je široká programovatelnost. Mimo převodu mezi sběrnicemi se tak v případě potřeby nabízí možnost modul rozšířit např. o funkce zajišťující zpětnou kompatibilitu nebo kompatibilitu s jinými přístroji.

Pro převod mezi SPI a USB sběrnicemi byl zvolen jednočipový mikrokontrolér Atmel AT91SAM7S64 postavený na 32-bitovém jádře ARM7. Jeho výhodou je, mimo shodné architektury s řídicím mikrokontrolérem na základní desce, nízká cena a dobrá dostupnost. Mikrokontrolér obsahuje řadič sběrnice USB 2.0 ve variantě high-speed, nabízí dostatečný výkon i velikost RAM použitelnou jako vyrovnávací paměť.

\subsection{Galvanické oddělení}

Ke galvanickému oddělení měřicího přístroje od osobního počítače jsou použity obvody postavené na technologii iCoupler společnosti Analog Devices. Kombinací rychlých CMOS obvodů a miniaturních transformátorů se vzduchovým jádrem dosahují, v porovnání s alternativními řešeními, velmi dobrých parametrů.

Obvody využívající technologie iCoupler řeší různé nevýhody spojené s užitím klasických optočlenů. S obvody iCoupler odpadají problémy s velkými vstupními proudy, velkou tolerancí poměru výstupního ke vstupnímu proudu (CTR) a teplotní závislostí. Spotřeba obvodů iCoupler typicky představuje desetinu až šestinu spotřeby optočlenů srovnatelných rychlostí.

Každý z použitých obvodů ADuM1400 nabízí 4 nezávislé kanály. Obě strany digitálních izolátorů lze napájet napájecím napětím v rozsahu 2,7 V až 5,5 V, což přináší možnost konverze logických úrovní. Izolační pevnost těchto obvodů je 2,5 kV, přičemž se vyrábí i ve variantě se zvýšenou pevností 5 kV.

Obvody AduM1400 se vyrábí ve 3 variantách. Nejvyšší varianta nabízí přenosovou rychlost 90 Mb/s, maximální zpoždění procházejícího signálu 32 ns a nejvyšší zkreslení délky pulzu 2 ns.
